{-# OPTIONS --without-K --safe #-}
module Data.Nat.Coprimality where
open import Data.Empty
open import Data.Fin.Base using (toℕ; fromℕ<)
open import Data.Fin.Properties using (toℕ-fromℕ<)
open import Data.Nat.Base
open import Data.Nat.Divisibility
open import Data.Nat.GCD
open import Data.Nat.GCD.Lemmas
open import Data.Nat.Primality
open import Data.Nat.Properties
open import Data.Nat.DivMod
open import Data.Product as Prod
open import Function
open import Level using (0ℓ)
open import Relation.Binary.PropositionalEquality as P
using (_≡_; _≢_; refl; trans; cong; subst; module ≡-Reasoning)
open import Relation.Nullary as Nullary hiding (recompute)
open import Relation.Nullary.Negation using (contradiction)
open import Relation.Binary
open ≤-Reasoning
Coprime : Rel ℕ 0ℓ
Coprime m n = ∀ {i} → i ∣ m × i ∣ n → i ≡ 1
coprime⇒GCD≡1 : ∀ {m n} → Coprime m n → GCD m n 1
coprime⇒GCD≡1 {m} {n} c = GCD.is (1∣ m , 1∣ n) (∣-reflexive ∘ c)
GCD≡1⇒coprime : ∀ {m n} → GCD m n 1 → Coprime m n
GCD≡1⇒coprime g cd with GCD.greatest g cd
... | divides q eq = m*n≡1⇒n≡1 q _ (P.sym eq)
coprime⇒gcd≡1 : ∀ {m n} → Coprime m n → gcd m n ≡ 1
coprime⇒gcd≡1 coprime = GCD.unique (gcd-GCD _ _) (coprime⇒GCD≡1 coprime)
gcd≡1⇒coprime : ∀ {m n} → gcd m n ≡ 1 → Coprime m n
gcd≡1⇒coprime gcd≡1 = GCD≡1⇒coprime (subst (GCD _ _) gcd≡1 (gcd-GCD _ _))
coprime-/gcd : ∀ m n .{{_ : NonZero (gcd m n)}} →
Coprime (m / gcd m n) (n / gcd m n)
coprime-/gcd m n = GCD≡1⇒coprime (GCD-/gcd m n)
sym : Symmetric Coprime
sym c = c ∘ swap
private
0≢1 : 0 ≢ 1
0≢1 ()
2+≢1 : ∀ {n} → suc (suc n) ≢ 1
2+≢1 ()
coprime? : Decidable Coprime
coprime? i j with mkGCD i j
... | (0 , g) = no (0≢1 ∘ GCD.unique g ∘ coprime⇒GCD≡1)
... | (1 , g) = yes (GCD≡1⇒coprime g)
... | (suc (suc d) , g) = no (2+≢1 ∘ GCD.unique g ∘ coprime⇒GCD≡1)
1-coprimeTo : ∀ m → Coprime 1 m
1-coprimeTo m = ∣1⇒≡1 ∘ proj₁
0-coprimeTo-m⇒m≡1 : ∀ {m} → Coprime 0 m → m ≡ 1
0-coprimeTo-m⇒m≡1 {m} c = c (m ∣0 , ∣-refl)
¬0-coprimeTo-2+ : ∀ {n} → ¬ Coprime 0 (2 + n)
¬0-coprimeTo-2+ coprime = contradiction (0-coprimeTo-m⇒m≡1 coprime) λ()
coprime-+ : ∀ {m n} → Coprime m n → Coprime (n + m) n
coprime-+ c (d₁ , d₂) = c (∣m+n∣m⇒∣n d₁ d₂ , d₂)
recompute : ∀ {n d} → .(Coprime n d) → Coprime n d
recompute {n} {d} c = Nullary.recompute (coprime? n d) c
Bézout-coprime : ∀ {i j d} .{{_ : NonZero d}} →
Bézout.Identity d (i * d) (j * d) → Coprime i j
Bézout-coprime {d = suc _} (Bézout.+- x y eq) (divides q₁ refl , divides q₂ refl) =
lem₁₀ y q₂ x q₁ eq
Bézout-coprime {d = suc _} (Bézout.-+ x y eq) (divides q₁ refl , divides q₂ refl) =
lem₁₀ x q₁ y q₂ eq
coprime-Bézout : ∀ {i j} → Coprime i j → Bézout.Identity 1 i j
coprime-Bézout = Bézout.identity ∘ coprime⇒GCD≡1
coprime-divisor : ∀ {k i j} → Coprime i j → i ∣ j * k → i ∣ k
coprime-divisor {k} c (divides q eq′) with coprime-Bézout c
... | Bézout.+- x y eq = divides (x * k ∸ y * q) (lem₈ x y eq eq′)
... | Bézout.-+ x y eq = divides (y * q ∸ x * k) (lem₉ x y eq eq′)
coprime-factors : ∀ {d m n k} →
Coprime m n → d ∣ m * k × d ∣ n * k → d ∣ k
coprime-factors c (divides q₁ eq₁ , divides q₂ eq₂) with coprime-Bézout c
... | Bézout.+- x y eq = divides (x * q₁ ∸ y * q₂) (lem₁₁ x y eq eq₁ eq₂)
... | Bézout.-+ x y eq = divides (y * q₂ ∸ x * q₁) (lem₁₁ y x eq eq₂ eq₁)
prime⇒coprime : ∀ m → Prime m →
∀ n → 0 < n → n < m → Coprime m n
prime⇒coprime (suc (suc _)) p _ _ _ {0} (0∣m , _) =
contradiction (0∣⇒≡0 0∣m) λ()
prime⇒coprime (suc (suc _)) _ _ _ _ {1} _ = refl
prime⇒coprime (suc (suc _)) p (suc _) _ n<m {(suc (suc _))} (d∣m , d∣n) =
contradiction d∣m (p 2≤d d<m)
where 2≤d = s≤s (s≤s z≤n); d<m = <-transˡ (s≤s (∣⇒≤ d∣n)) n<m